胡明江

（河南城建學院能源與建筑環(huán)境工程學院，河南 平 頂山 467036）

目前，各國對柴油機NOx排放要求越來越嚴格，我國也將開始執(zhí)行國Ⅳ排放標準。要達到國Ⅳ或更高排放標準要求，需要采用柴油機選擇性催化還原（SCR）后處理技術。SCR技術具有油耗低、耐硫性能好等特點，是柴油機后處理的主要技術路線［1］。由于 NH3泄漏量與 NOx轉化效率存在“trade－off”的矛盾，為降低 NOx排放和 NH3泄漏量，避免尿素浪費和二次污染，必須對柴油機SCR系統(tǒng)的尿素噴射量實現(xiàn)精確控制［2］。尿素噴射控制方式主要有開環(huán)和閉環(huán)控制，要達到國Ⅴ及以上排放法規(guī)要求，必須采用閉環(huán)控制［3］。依據(jù)NOx傳感器信號反饋的單閉環(huán)控制不能對NH3濃度進行有效采集與控制［4］，催化器內(nèi)部的NH3吸附－脫附與覆蓋率等對尿素需求量精確控制非常重要［5］。而雙閉環(huán)控制可精確控制尿素噴射量，不僅能提高NOx轉化率，而且可減少NH3泄漏。

因此，本研究提出以NOx濃度和NH3濃度為反饋信號的雙閉環(huán)控制方法，對催化器內(nèi)部NH3存儲－釋放速率和存儲量進行準確采集與控制，達到提高NOx轉化效率和降低NH3泄漏量的目的，為實現(xiàn)柴油機達到國Ⅴ排放標準提供一種有效方法。

1 NH3活化模型

NH3活化模型主要包括尿素分解、NH3吸附－脫附、NH3選擇性催化還原反應、NH3氧化反應等模塊［6］。

1）尿素分解模型

式中：rUD為尿素水解反應速率；kUD為尿素水解頻率因子；Ea，UD為尿素水解活化能；CU為尿素濃度。

2）NH3吸附－脫附模型

式中：rAds，rDes分別為NH3吸附速率和脫附速率；cS為單位體積氣體中活性原子濃度；SC為1mol活性原子表面積；αProb為吸附概率；cNH3為NH3濃度；MNH3為NH3摩爾質量；kDes為NH3脫附頻率因子；Ea，Des為NH3脫附活化能；R為氣體常數(shù)；T為催化器溫度；ΘNH3為NH3覆蓋率。

3）NH3選擇性催化還原反應模型

式中：rSCR為SCR反應速率；kSCR為SCR反應頻率因子；Ea，SCR為SCR反應活化能；cNOx為NOx濃度。

4）NH3氧化模型

式中：rOx為NH3的氧化反應速率；kOx為NH3的氧化反應頻率因子；Ea，Ox為NH3的氧化反應活化能。

由此可知，在催化轉化器內(nèi)的SCR活化反應速率與NOx濃度和NH3覆蓋度有關，而NOx和NH3濃度、氨存儲量和NH3覆蓋度等性能參數(shù)具有瞬態(tài)性和遲后性，僅以NOx濃度為反饋信號的閉環(huán)控制［7］不能對催化轉化器內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)進行準確地采集與控制。為此采用以NOx濃度和NH3濃度為反饋信號的雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)對催化轉化器內(nèi)部NH3存儲量和存儲－釋放速率的準確采集與精確控制。

2 控制策略

柴油機尿素SCR雙閉環(huán)耦合控制系統(tǒng)見圖1。由圖可知：依據(jù)柴油機轉速、油門開度、進氣溫度、排氣流量、催化轉化器進出口溫度和NOx濃度等信號，利用尿素分解模型，確定尿素基本噴射量；利用NH3氧化、吸附與脫附模型，對尿素基本噴射量進行修正，獲得尿素初步噴射量。利用NOx傳感器對催化轉化器前后的NOx濃度進行檢測并計算NOx轉化效率，利用尿素噴射量修正算法對尿素噴射量進行一次閉環(huán)修正；利用NH3傳感器對催化轉化器內(nèi)部和出口的NH3濃度進行檢測，經(jīng)儲氨量控制算法，對尿素噴射量進行二次閉環(huán)修正，得到尿素實際噴射量。

2.1 尿素噴射量修正算法

圖2示出尿素噴射量耦合修正算法。由圖2可知：根據(jù)柴油機轉速和油門位移標定出尿素設定量MAP與催化轉化器溫度MAP；由尿素設定量MAP和催化轉化器效率MAP計算出NH3需求量；由NOx傳感器采集的NOx濃度計算出NOx流量，并通過氨氮比進行修正后，協(xié)同NH3需求量對尿素需求量進行初次修正；利用柴油機水溫和催化轉化器溫度等信號，經(jīng)SCR溫度修正模型對尿素需求量進行二次修正，得到修正后的尿素噴射量。

2.2 儲氨量控制算法

柴油機SCR系統(tǒng)儲氨量控制算法見圖3。由圖3可知：儲氨量控制算法主要由NH3吸附及脫附、SCR和氧化等活化模型組成。由NOx濃度、NH3濃度和催化轉化器溫度（T）等信號，耦合NH3覆蓋度的反饋信號，利用NH3的吸附與脫附、SCR反應和氧化模型，經(jīng)SCR反應速率平衡算法修正后，得到最佳NH3覆蓋度。

2.3 尿素噴射量耦合控制算法

為有效降低NOx排放和NH3泄漏量，采用NH3和NOx濃度值作為反饋信號，對尿素噴射量進行雙閉環(huán)修正。柴油機尿素噴射量耦合控制算法見圖4。

由圖4可知：反饋控制主要包括NOx和NH3的2個反饋控制模塊。NOx反饋控制算法：NOx傳感器測量催化轉化器進出口的NOx濃度，計算得到NOx實際轉化效率，并與NOx設定轉化率MAP進行比較。當誤差超過限值時，通過尿素噴射量修正算法對尿素基本噴射量進行一次反饋修正。NH3反饋控制算法：NH3傳感器分別采集催化器內(nèi)部和出口的NH3濃度，經(jīng)NH3活化模型計算氨覆蓋度，由儲氨量控制算法，對尿素基本噴射量進行二次反饋修正，得到最優(yōu)尿素噴射量。

3 試驗驗證

為驗證柴油機尿素SCR系統(tǒng)雙閉環(huán)耦合控制方法正確性，在D6114ZG柴油機上進行NOx轉化效率、尿素噴射量和NH3泄漏等性能試驗。催化劑進出口溫度傳感器選用插入式PT200溫度傳感器，尿素液位和溫度采用LDQ－SCR尿素總成采集儀進行測量，尿素流量采用LDG－S電磁流量傳感器進行測量，采用尿素計量泵實現(xiàn)尿素水溶液高精度噴射。NOx和NH3濃度分別采用NB1500NOx傳感器和KYJ9NH3傳感器進行實時采集；采用AVL CEB－Ⅱ氣體排放分析儀和AVL SESAM FTIR非常規(guī)排放分析儀對氣體污染物和NH3排放進行測量。

結合實時獲取的NOx和NH3濃度值，利用上述的尿素SCR系統(tǒng)雙閉環(huán)耦合控制策略與算法，對NOx轉化率和NH3泄漏量進行計算，實現(xiàn)對尿素噴射量的精確控制。

3.1 NOx轉化率性能試驗

將制定的尿素SCR單閉環(huán)（NOx反饋）、雙閉環(huán)（NOx和NH3協(xié)同反饋）和開環(huán)的控制策略分別嵌入到SCR后處理系統(tǒng)尿素噴射電子控制單元（ECU）中，按照穩(wěn)態(tài)控制（ESC）循環(huán)試驗方法，對柴油機十三工況的排放進行測試，并計算出各工況NOx轉化率（見圖5）。由圖5可知：就單閉環(huán)、雙閉環(huán)和開環(huán)3種控制方法而言，工況1的NOx轉化率分別為20.6%，30%和8.5%，其他工況的NOx轉化率控制范圍分別為47.5%～75%，60%～90%和30%～57.4%，NOx平均轉化率分別為54.73%，68.13%和36.42%。因此，尿素SCR雙閉環(huán)控制方法的NOx轉化效率和波動范圍最好。

3.2 尿素噴射量性能試驗

為深入研究瞬態(tài)工況下尿素SCR雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應精度，假定柴油機轉速恒定在2 710r／min，即ESC循環(huán)B轉速，扭矩由107N·m增至420N·m，再減至80N·m，在發(fā)動機臺架上進行尿素噴射量性能測試試驗。圖6示出尿素SCR雙閉環(huán)控制的尿素瞬態(tài)噴射量和NH3排放測試結果。由圖6a可知：當柴油機扭矩由107N·m增至420N·m，再減至80N·m時，單閉環(huán)和雙閉環(huán)控制的尿素噴射量均呈臺階狀增加；開環(huán)、單閉環(huán)和雙閉環(huán)控制的尿素噴射量峰值分別為3 600g／h，3 500g／h和3 400g／h，動態(tài)延遲時間分別為20s，10s和0s；在扭矩峰值為420N·m和80N·m附近，開環(huán)和單閉環(huán)控制分別發(fā)生了不同程度的噴射延遲和停噴過慢等現(xiàn)象，雙閉環(huán)控制沒有NH3泄漏。由圖6b可知：在扭矩峰值分別為420N·m和80N·m附近，開環(huán)、單閉環(huán)和雙閉環(huán)控制的NH3體積分數(shù)峰值分別為200×10－6，30.1×10－6和20.7×10－6，NH3體 積 分 數(shù) 平 均 值 分 別 為37.62×10－6，19.75×10－6和12×10－6，故只有雙閉環(huán)耦合控制滿足NH3泄漏限值規(guī)定（NH3泄漏限值為25×10－6）條件。

3.3 NH3泄漏測試試驗

為深入研究NH3泄漏量與NH3活化特性的內(nèi)在關系，驗證尿素SCR雙閉環(huán)控制策略正確性，在柴油機轉速為2 500r／min，扭矩為350N·m工況下，通過調(diào)整尿素噴射脈寬使氨氮比（RNS）從0.6連續(xù)升高至2.0，進行NH3泄漏和覆蓋度測試試驗，測得的性能曲線見圖7。由圖7a可知：當0.6≤RNS≤1.6時，開環(huán)、單閉環(huán)和雙閉環(huán)3種控制方法的 NH3平均泄漏量分別為14.2×10－6，11.6×10－6和9.39×10－6，小于 NH3泄漏平均限值規(guī)定的15×10－6，表明尿素噴射不足時，3種控制方法均沒有發(fā)生NH3泄漏故障。當1.6＜RNS≤2時，開環(huán)控制的NH3泄漏量均大于NH3泄漏峰值規(guī)定限值（25×10－6）；當RNS＝1.8時，開環(huán)控制的NH3泄漏量開始大于25×10－6，雙閉環(huán)控制的NH3泄漏量仍未超過NH3泄漏限值。試驗時，利用NH3傳感器和催化劑溫度傳感器采集信號，計算得到的NH3覆蓋率動態(tài)MAP圖見圖7b。試驗表明，制定的尿素SCR雙閉環(huán)耦合控制能滿足柴油機SCR瞬態(tài)測試循環(huán)要求。

3.4 排放達標試驗

為考察尿素SCR雙閉環(huán)耦合控制效果，取開環(huán)、單閉環(huán)和雙閉環(huán)3種控制方式，按照ESC和ETC測試方法，對柴油機進行排放達標試驗。表1示出柴油機分別按照ESC和ETC測試循環(huán)測量的主要有害排放NOx，THC，CO的比排放量和NH3泄漏量。由表1可知：開環(huán)控制方法的NOx，THC，CO比排放量和NH3泄漏量沒有達到國Ⅴ排放標準，而閉環(huán)控制方法的NOx，THC，CO比排放量和NH3泄漏量達到國Ⅴ排放標準，這說明了閉環(huán)系統(tǒng)能在提高NOx轉化率的基礎上有效降低氨泄漏。研究結果表明，雙閉環(huán)耦合控制方法對NOx排放與NH3泄漏量控制效果最好。

表1 ESC和ETC測試循環(huán)排放物測量值

4 結論

a）提出了基于NOx和NH3傳感器的尿素SCR雙閉環(huán)耦合控制策略，實現(xiàn)了對催化器內(nèi)部NH3吸附－脫附與覆蓋速率精確控制；

b）利用NH3活化機理，制定了尿素噴射量、儲氨量和NOx與NH3雙反饋等控制算法，有效提高了尿素SCR雙閉環(huán)耦合控制精度和魯棒性；

c）ESC和ETC循環(huán)試驗表明，尿素SCR雙閉環(huán)耦合控制性能可靠，控制精度高，能使柴油機NOx排放和NH3泄漏量達到國Ⅴ排放標準。

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